无人机倾斜摄影测量与地面三维激光扫描的精度对比_李霞.pdf

地矿测绘2023，39(1):5255CN 531124/TDISSN 10079394Surveying and Mapping of Geology and Mineral esources无人机倾斜摄影测量与地面三维激光扫描的精度对比*李霞1，熊晶2(1云南省水利水电勘测设计研究院，云南 昆明650000;2武汉地震计量检定与测量工程研究院有限公司，湖北 武汉430071)摘要:无人机倾斜摄影以及地面三维激光扫描等新型测绘技术近年来快速发展，在诸多领域得到了广泛应用。为此，文章以某科技园为例，对无人机倾斜摄影测量与地面三维激光扫描的精度进行对比。通过对精度结果进行分析得出:无人机航测地面点的精度优于房角点，但是三维激光扫描房角点的精度优于地面点;无人机航测与三维激光扫描的平面精度相当，但在高程精度方面，三维激光扫描精度显著高于无人机航测精度。实践证明，将无人机倾斜摄影测量和三维激光扫描技术相结合，能大大提高测量效率并降低劳动强度。关键词:地面三维激光扫描;无人机倾斜摄影测量;精度对比;全站仪;TK中图分类号:P 237文献标识码:A文章编号:10079394(2023)01005204Accuracy Comparison Between UAV Tilt Photogrammetry andGround 3D Laser ScanningLI Xia1，XIONG Jing2(1Yunnan Provincial Water Conservancy and Hydroelectric Survey Design and esearch Institute，Kunming Yunnan 650000，China;2Wuhan Seismic Metrological Verification Surveying Engineering Institute Co，LTD，Wuhan Hubei 430071，China)Abstract:New surveying and mapping technologies such as UAV tilt photogrammetry and ground 3D laserscanning have been developed rapidly in recent years and have been widely used in many fieldsTaking a sciencepark as study case，this article compares the accuracy of UAV tilt photogrammetry and ground 3D laser scanningThrough the analysis of the accuracy results，it is concluded that the accuracy of ground points for UAV aerial surveyis better than that of house corner points，but the accuracy of house corner points for 3D laser scanning is better thanthat of ground points，then the plane accuracy of UAV aerial survey is equivalent to that of 3D laser scanning，butthe elevation accuracy of 3D laser scanning is significantly higher than that of UAV aerial surveyPractice hasproved that the combination of UAV tilt photogrammetry and 3D laser scanning technology can greatly improvemeasurement efficiency and reduce labor intensityKey words:ground 3D laser scanning;UAV tilt photogrammetry;accuracy comparison;total station;TK0引言近年来，我国在经济、文化以及基建建设等方面取得了巨大的成就，与此同时，国内城镇化也处于快速发展阶段，其建设进程也日益加快，随之而来的数字化、智慧化技术也在诸多领域中得到了广泛的应用1。测绘领域内也出现了许多新技术，诸如三维激光扫描、无人机倾斜航空摄影等，这些技25*收稿日期:20220227基金项目:湖北省自然科学基金项目(2021CFB515)DOI:10.16864/ki.dkch.2023.0012术在智慧城市、文物保护、应急灾害处理等领域取得了不菲的成就。目前工程测量中使用的地面三维激光扫描方法多为设站扫描和移动扫描。两种扫描方式的优缺点各不相同，设站方式获取的点云精度更高，但其工作效率不如移动扫描方式2。无人机航测由于无人机的便携性、易操作性以及测图高效率的优点广泛应用于各类测绘项目中3。相较于传统的全站仪、水准仪以及 TK 等测绘方法，无人机航测和地面三维激光扫描技术能显著降低劳动强度，且采集数据时受人工因素的影响较小。虽然通过这两种手段能获得较高的数据精度，但仍与传统测绘手段获取的数据在精度上有差距。不少学者对无人机在测图中的应用以及三维激光扫描仪在测量中的实际应用进行了相应的研究5。鉴于工程测量中，一般使用 TK 测量控制点，本文使用 GNSS 接收机以及全站仪获得研究区域同名校核点在 CGCS2000 坐标系下的坐标，并使用无人机倾斜摄影测量以及地面三维激光扫描获取同名校核点的坐标，进行精度对比，以评定无人机航测与三维激光扫描在实际工程测量中的精度。1研究区概况本文的研究区域为某科技园区，该科技园区整体面积为 5.2 万 m2，地势平坦。为了使精度评定结果更加可靠，在园区中视野较为开阔、遮挡物较少的位置选择具有明显特征的地面标志点(13 个)以及房屋角点(25 个)作为实际测量时的同名校核点。采用海星达 H32 接收机在园区测设 12 个 TK 控制点(其 中，点 A9 和 A10 在 此 图 范 围 外)，组 成CGCS2000 坐标系下的 TK 控制网，基于此控制网进行无人机倾斜摄影测量相控、三维激光扫描点云坐标转换、GNSS 接收机以及全站仪设站测量同名校核点三维坐标。2倾斜摄影测量与三维激光扫描坐标数据的获取21地面三维激光扫描Leica TC360 扫描仪扫描速度每秒可达 200 万个数据点，并且通过 VIS 视觉追踪技术，通过 5 个内置相机和 IMU 惯性传感器，能够实时计算两个连续站点间的相对位置，并且提供精准点云拼接，无需布设标靶以及公共点，在不需要人工干预的基础上，扫描仪可实现全自动操作，进行智能化拼接9。为此，本文采用 Leica TC360 三维激光扫描仪进行园区的扫描工作。由于在每个测站点进行扫描得到的点云模型是单独存在的，所以需要对每个站得到的点云模型进行拼接。为保证整体模型拼接精度，在每站扫描工作时，相邻测站之间须保证一定的重合度。当获取 每 站 的 点 云 模 型 之 后，在 LeicaCycloneEGISTE 360 智能拼接软件中，对 VIS 预拼接的结果进行精准拼接，完成园区的整体点云拼接，并根据上述全站仪获取的控制点坐标(标靶点)进行坐标转换，得到园区整体点云模型的 CGCS2000 三维坐标。在园区内均匀布设 10 个标靶点，基于 TK 控制网，使用 Leica Nova TS60 第三代超高精度全站仪测量标靶点。然后在合适位置架设三维激光扫描仪(各测站间距不超过 30 m，)，分 30 站逐站扫描整个区域，并拼接得到园区的整体点云模型。选取上述测量的 4 个标靶点，软件可自动拟合得到标靶点中心精确位置，利用七参数法进行坐标转换，得到模型所有点云的 CGCS2000 坐标。转换后的模型标靶点坐标与全站仪实测的坐标比较结果见表 1。表 1标靶点坐标与实测坐标较差Tab1Different errors between target coordinates and measuredcoordinates标靶点号dx/mdy/mdz/m10.020.020.0220010.010.0130.020.020.0240.030.010.0250020.040.0360030.020.03中误差0.020.020.0222无人机倾斜摄影测量无人机的重量较轻，导致其飞行时很容易遭受气流的干扰，使其在航摄时发生机身倾斜，进而造成地面点的水平移动以及垂直方向上的测量误差，最终致使点位结果精度较差10。所以航测时需要考虑到无人机本身的飞行参数设置，即飞行时无人机的速度以及其高度，并且需要对航飞当天的气候因素，诸如气温、晴朗程度、风速等加以考虑，尽量选择适宜无人机飞行的环境条件，进而提高无人机测量的水平以及垂直方向的精度，使之满足测量精度的要求11。35第 39 卷第 1 期李霞，熊晶:无人机倾斜摄影测量与地面三维激光扫描的精度对比本文使用大疆经纬 M600 无人机(搭载 SONYILCE7 相机)，在园区内进行倾斜摄影测量。飞行时间为 2020 年 8 月 19 日，设计飞行高度为100 m，航向以及旁向重叠度均为 70%。飞行当日天气晴朗、无云且无风。直接使用园区控制网的 12个控制点(A1A12)作为像控点对航测数据进行校准和约束，经过空三解算，得到园区倾斜摄影模型的所有点位坐标信息。3同名校核点坐标获取及精度评定使用 GNSS 接收机(海星达 H32)和全站仪(TS60)在园区内分别测量选定地面和房角校核点作为实测坐标。在园区整体点云模型中选取校核点坐标，在园区航测模型中选取校核点坐标。将三维激光扫描与无人机航测校核点选取坐标与实测坐标相比较，采用校核点残差均方根误差计算中误差，最终结果分别见表 25。表 2三维激光扫描地面点数据与实测数据的较差Tab2Different errors between 3D laser scanning data andmeasured data for ground points点号dx/mdy/mdz/m点号dx/mdy/mdz/mD10040.060.03D80050.030.01D20100.070.03D90.020.040.03D30010.020.04D100090.020.04D40.050.040.01D110110.010.02D50060.120.01D120040.060.01D60030.060.03D130000.090.05D70.020.010.01中误差0.060.060.03表 3三维激光扫描房角点数据与实测数据的较差Tab3Different errors between 3D laser scanning data andmeasured data of house corner points点号dx/mdy/mdz/m点号dx/mdy/mdz/m10020.050.04140.050.030.0120020.040.02150060.040.0130020.020.02160040.010.0140020.020.01170050.040.0150040.020.01180030.030.0060.030.010.01190.030.010.0170.040.010.01200050.060.0380040.010.00210.010.040.02表 3(续)三维激光扫描房角点数据与实测数据的较差点号dx/mdy/mdz/m点号dx/mdy/mdz/m90.040.040.01220030.040.03100050.010.00230030.050